Помощь студентам в учебе
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БАЛАНСОВОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
Заключение 29
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 31
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
Заключение 29
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 31
Актуальность темы исследования. Развитие технологий производства электроэнергии, в основе которых заложено использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) существенно изменяют структуру и принципы управления электроэнергетическими системами (ЭЭС).
Низкая себестоимость энергии на ВИЭ способствует их широкому внедрению практически во всех сферах человеческой деятельности в широком диапазоне электрической мощности электростанций от нескольких кВт до сотен МВт. При этом централизованно неконтролируемые ВИЭ относительно малой мощности создают эффект псевдоснижения электропотребления отдельной территории.
ВИЭ привносят в систему значительную неопределенность как генерирующей, так и потребляемой (скрытые ВИЭ) мощности. Вызванная ими непредсказуемостью текущей энергоемкости энергоносителей (солнце, ветер) неопределенность сказывается на показателях надежности ЭЭС, а, следовательно, и на величине необходимого централизованного резерва мощности.
Как правило, фактор надежности ЭЭС играет решающую роль в процессе принятия решений при планировании перспективного развития ЭЭС. Однако, при решении проблем резервирования отмеченная специфика ВИЭ сдвигает вектор направленности расчетов в сторону оценки текущего состояния ЭЭС. При этом резко возрастают требования по точности показателей балансовой надежности (ПБН) ЭЭС, которая в настоящее время недостаточно высока, поскольку эффективность систем электроснабжения потребителей в рамках принятых стандартов для всех узлов электропотребления оценивается как приемлемая или неприемлемая по нормативным критериям надежности, которые, в свою очередь, обладают большой неопределенностью.
ПБН варьируются от относительно простых (критерий N-1) до комплексных вероятностных индексов надежности, учитывающих стохастическую природу процесса функционирования ЭЭС. Анализ надежности ЭЭС предполагает моделирование случайных событий, возникающих в ЭЭС и последующий вероятностный анализ их воздействия на функционирование ЭЭС . Показатели надежности должны учитывать не только возможность (вероятность) возникновения случайных событий, но и отражать количественную оценку их последствий.
В зависимости от типа рассматриваемых событий их влияние на работу ЭЭС может быть оценено вероятностью и частотой отказов, величиной и продолжительностью ограничения (в том числе полного отключения) нагрузки. Наиболее значимыми среди ПБН за рубежом являются: вероятность потери нагрузки (LOLP); математическое ожидание величины отключения нагрузки (LOLE); ожидаемая недопоставленная мощность (EPNS) и ожидаемая недопоставленная энергия (EENS). В Северной Америке широкое применение нашел показатель LOLE, (не более 1 дня за 10 лет). В странах Западной Европы стандартное значение LOLE установлено на предельном уровне 3 часа в год.
В России перечень и расчет ПБН регламентируется национальным стандартом РФ: «304-2018: Балансовая надежность ЭЭС. Часть 1. Общие требования». В 2019 году Системным оператором ЕЭС введен технический отчет 59012820.27.010.005-2018, регламентирующий методические указания по проведению расчетов ПБН. Наиболее значимыми ПБН признаны вероятность и математическое ожидание (МО) недоотпуска электроэнергии потребителям. Появление данных руководящих документов свидетельствует об актуальности проблемы расчета ПБН ЭЭС в России.
За последние несколько десятилетий было выполнено огромное количество исследований, направленных на разработку методов оценки ПБН энергосистем. Однако по-прежнему остается актуальным компромисс между повышением точности результирующих ПБН и приемлемой продолжительностью расчетов, особенно в условиях растущей неопределенности исходных данных.
Основным подходом для расчета ПБН как в России, так и за рубежом является классический метод Монте-Карло (ММК), который малочувствителен к виду индивидуальных функций распределения случайных величин и размерности электрической сети. Хорошо известна вычислительная специфика классического ММК - недопустимо большая продолжительность расчетов при оценке таких редких событий, как ограничение электропотребления из-за локальных или глобальных дефицитов мощности. Высокая надежность современных ЭЭС и расширение пространства возможных состояний ЭЭС, связанное с использованием ВИЭ еще больше увеличивают вычислительную нагрузку классического ММК.
Альтернативой ММК являются аналитические методы, такие как методы свертки, кумулянтов и точечной оценки (МТО). Точность аналитических методов, в отличие от ММК, не зависит от числа моделируемых случайных состояний. В частности, метод свертки дает практически точное решение, однако его эффективность резко снижается при увеличении числа элементов свертки, что затрудняет его применение. Применение аналитических методов, таких как метод кумулянтов и МТО ограничено требованиями по точности результирующих величин, поскольку, как правило, эти методы не адаптивны к редким событиям. В результате для получения приемлемого решения необходимы дополнительные расчетные процедуры, учитывающие специфику ЭЭС. Такие процедуры предложены в данной диссертационной работе.
Существующие подходы, направленные на повышение вычислительной эффективности ММК, условно делятся на две категории: методы, основанные на повышении вычислительной эффективности оценки отдельного состояния и методы оптимального формирования выборки. К первой группе относятся подходы совершенствования вычислительных процедур, позволяющих сократить длительность анализа отдельных состояний ЭЭС. Второе направление заключается в разработке более эффективных методов формирования выборки состояний ЭЭС, с акцентом на значимые состояния...
Низкая себестоимость энергии на ВИЭ способствует их широкому внедрению практически во всех сферах человеческой деятельности в широком диапазоне электрической мощности электростанций от нескольких кВт до сотен МВт. При этом централизованно неконтролируемые ВИЭ относительно малой мощности создают эффект псевдоснижения электропотребления отдельной территории.
ВИЭ привносят в систему значительную неопределенность как генерирующей, так и потребляемой (скрытые ВИЭ) мощности. Вызванная ими непредсказуемостью текущей энергоемкости энергоносителей (солнце, ветер) неопределенность сказывается на показателях надежности ЭЭС, а, следовательно, и на величине необходимого централизованного резерва мощности.
Как правило, фактор надежности ЭЭС играет решающую роль в процессе принятия решений при планировании перспективного развития ЭЭС. Однако, при решении проблем резервирования отмеченная специфика ВИЭ сдвигает вектор направленности расчетов в сторону оценки текущего состояния ЭЭС. При этом резко возрастают требования по точности показателей балансовой надежности (ПБН) ЭЭС, которая в настоящее время недостаточно высока, поскольку эффективность систем электроснабжения потребителей в рамках принятых стандартов для всех узлов электропотребления оценивается как приемлемая или неприемлемая по нормативным критериям надежности, которые, в свою очередь, обладают большой неопределенностью.
ПБН варьируются от относительно простых (критерий N-1) до комплексных вероятностных индексов надежности, учитывающих стохастическую природу процесса функционирования ЭЭС. Анализ надежности ЭЭС предполагает моделирование случайных событий, возникающих в ЭЭС и последующий вероятностный анализ их воздействия на функционирование ЭЭС . Показатели надежности должны учитывать не только возможность (вероятность) возникновения случайных событий, но и отражать количественную оценку их последствий.
В зависимости от типа рассматриваемых событий их влияние на работу ЭЭС может быть оценено вероятностью и частотой отказов, величиной и продолжительностью ограничения (в том числе полного отключения) нагрузки. Наиболее значимыми среди ПБН за рубежом являются: вероятность потери нагрузки (LOLP); математическое ожидание величины отключения нагрузки (LOLE); ожидаемая недопоставленная мощность (EPNS) и ожидаемая недопоставленная энергия (EENS). В Северной Америке широкое применение нашел показатель LOLE, (не более 1 дня за 10 лет). В странах Западной Европы стандартное значение LOLE установлено на предельном уровне 3 часа в год.
В России перечень и расчет ПБН регламентируется национальным стандартом РФ: «304-2018: Балансовая надежность ЭЭС. Часть 1. Общие требования». В 2019 году Системным оператором ЕЭС введен технический отчет 59012820.27.010.005-2018, регламентирующий методические указания по проведению расчетов ПБН. Наиболее значимыми ПБН признаны вероятность и математическое ожидание (МО) недоотпуска электроэнергии потребителям. Появление данных руководящих документов свидетельствует об актуальности проблемы расчета ПБН ЭЭС в России.
За последние несколько десятилетий было выполнено огромное количество исследований, направленных на разработку методов оценки ПБН энергосистем. Однако по-прежнему остается актуальным компромисс между повышением точности результирующих ПБН и приемлемой продолжительностью расчетов, особенно в условиях растущей неопределенности исходных данных.
Основным подходом для расчета ПБН как в России, так и за рубежом является классический метод Монте-Карло (ММК), который малочувствителен к виду индивидуальных функций распределения случайных величин и размерности электрической сети. Хорошо известна вычислительная специфика классического ММК - недопустимо большая продолжительность расчетов при оценке таких редких событий, как ограничение электропотребления из-за локальных или глобальных дефицитов мощности. Высокая надежность современных ЭЭС и расширение пространства возможных состояний ЭЭС, связанное с использованием ВИЭ еще больше увеличивают вычислительную нагрузку классического ММК.
Альтернативой ММК являются аналитические методы, такие как методы свертки, кумулянтов и точечной оценки (МТО). Точность аналитических методов, в отличие от ММК, не зависит от числа моделируемых случайных состояний. В частности, метод свертки дает практически точное решение, однако его эффективность резко снижается при увеличении числа элементов свертки, что затрудняет его применение. Применение аналитических методов, таких как метод кумулянтов и МТО ограничено требованиями по точности результирующих величин, поскольку, как правило, эти методы не адаптивны к редким событиям. В результате для получения приемлемого решения необходимы дополнительные расчетные процедуры, учитывающие специфику ЭЭС. Такие процедуры предложены в данной диссертационной работе.
Существующие подходы, направленные на повышение вычислительной эффективности ММК, условно делятся на две категории: методы, основанные на повышении вычислительной эффективности оценки отдельного состояния и методы оптимального формирования выборки. К первой группе относятся подходы совершенствования вычислительных процедур, позволяющих сократить длительность анализа отдельных состояний ЭЭС. Второе направление заключается в разработке более эффективных методов формирования выборки состояний ЭЭС, с акцентом на значимые состояния...
• При анализе балансовой надежности концентрированной ЭЭС приближенный
аналитический метод (комбинирование метода кумулянт и функций фон Мизеса) характеризуется относительно небольшой длительностью расчетов при достаточно высокой точности, сопоставимой с точностью метода Монте-Карло.
• Предлагаемый модифицированный метод Хонга М(2*п+1) позволяет улучшить
точность классических методов Хонга за счет дополнительной группы комбинированных событий (критерий N-2).
• Методы точечной оценки не рекомендуются для точных расчетов показателей
балансовой надежности систем с высокой надежностью элементов, поскольку критерий N-2 становится недостаточным для выделения редких событий.
• Предлагаемый модифицированный кросс-энтропийный метод позволяет учесть
корреляцию текущих мощностей устройств ВИЭ, улучшить эффективность выборки и характеристики сходимости метода Монте-Карло. При высокой точности решений он обладает достаточно высоким быстродействием. Вычислительная эффективность предлагаемого метода подтверждены результатами тестовых расчетов.
• Для учета специфики многомодальных вероятностных распределений
случайных величин и сложной корреляции между случайными переменными предлагается использовать метод многомерного распределения Гауссовской смеси (МРГС).
• Представлена более точная (по сравнению с известными) вероятностная модель,
позволяющая учесть неопределенность нагрузки, ветра и солнечной энергии при оценке показателей балансовой надежности электрических сетей с интегрированными крупномасштабными ветряными и фотоэлектрическими электростанциями.
Перспективы дальнейших исследований
• В рамках оценки ПБН ЭЭС рассматривается только баланс активной мощности.
Однако следуя существующему Стандарту по расчету ПБН необходимо учитывать также и баланс реактивной мощности из-за его влияния на уровни напряжений, что особенно актуально при высоком уровне проникновения ВИЭ.
• В задаче оптимального распределения нагрузки между параллельно
работающими агрегатами в настоящее время не учитывается неопределенность и специфика располагаемой мощности ВИЭ, что, на наш взгляд, необходимо при планировании текущих режимов ЭЭС.
• При оценке надежности электрических сетей с ВИЭ следует учитывать энергетических фактор, стратегии хранения и использования возобновляемой энергии в том числе аккумулирование и использование аккумулированной энергии, особенно на фоне мощного развития ВИЭ и электротранспорта.
аналитический метод (комбинирование метода кумулянт и функций фон Мизеса) характеризуется относительно небольшой длительностью расчетов при достаточно высокой точности, сопоставимой с точностью метода Монте-Карло.
• Предлагаемый модифицированный метод Хонга М(2*п+1) позволяет улучшить
точность классических методов Хонга за счет дополнительной группы комбинированных событий (критерий N-2).
• Методы точечной оценки не рекомендуются для точных расчетов показателей
балансовой надежности систем с высокой надежностью элементов, поскольку критерий N-2 становится недостаточным для выделения редких событий.
• Предлагаемый модифицированный кросс-энтропийный метод позволяет учесть
корреляцию текущих мощностей устройств ВИЭ, улучшить эффективность выборки и характеристики сходимости метода Монте-Карло. При высокой точности решений он обладает достаточно высоким быстродействием. Вычислительная эффективность предлагаемого метода подтверждены результатами тестовых расчетов.
• Для учета специфики многомодальных вероятностных распределений
случайных величин и сложной корреляции между случайными переменными предлагается использовать метод многомерного распределения Гауссовской смеси (МРГС).
• Представлена более точная (по сравнению с известными) вероятностная модель,
позволяющая учесть неопределенность нагрузки, ветра и солнечной энергии при оценке показателей балансовой надежности электрических сетей с интегрированными крупномасштабными ветряными и фотоэлектрическими электростанциями.
Перспективы дальнейших исследований
• В рамках оценки ПБН ЭЭС рассматривается только баланс активной мощности.
Однако следуя существующему Стандарту по расчету ПБН необходимо учитывать также и баланс реактивной мощности из-за его влияния на уровни напряжений, что особенно актуально при высоком уровне проникновения ВИЭ.
• В задаче оптимального распределения нагрузки между параллельно
работающими агрегатами в настоящее время не учитывается неопределенность и специфика располагаемой мощности ВИЭ, что, на наш взгляд, необходимо при планировании текущих режимов ЭЭС.
• При оценке надежности электрических сетей с ВИЭ следует учитывать энергетических фактор, стратегии хранения и использования возобновляемой энергии в том числе аккумулирование и использование аккумулированной энергии, особенно на фоне мощного развития ВИЭ и электротранспорта.
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БАЛАНСОВОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
